small caliber guided projectile

8/11/2019 Small Caliber Guided Projectile

1/20

US007781709B1

( 1 2 ) Ulllted

States

Patent ( 1 0 )

P a t e n t N 0 . :

U S 7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1

J o n e s e t a ] . ( 4 5 ) Date o f P a t e n t : Aug. 2 4 , 2010

( 5 4 ) SMALL

CALIBER GUIDED

PROJECTILE ( 5 6 ) R e f e r e n c e s C i t e d

( 7 5 ) I n v e n t o r s :

J a m e s F .

J o n e s , A l b u q u e r q u e , NM U S ) ; US'

PATENT

DOC_UMENTS

B r i a n A .

K a s t ,

A l b u q u e r q u e ,

NM

U S ) ;

i

1 3 ;

g r w l g

. , oss

Marc W. K n l s k e r n , A l b u q u e r q u e , NM 1 , 2 4 3 , 5 4 2 A M917 Moore

S c o t t

E -

R o s e , A l b u q u e r q u e , 1 , 2 7 7 , 9 4 2

A

9 / 1 9 1 8

K a y l o r

(U$);Brand0I1R-R0hrer,

3 , 1 2 5 , 3 1 3

A 3 / 1 9 6 4 S o d e r b e r g

Albuquerque, NM US); James W.

3,658,427

A

* 4/1972

DeCou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 2 4 4 / 3 . l 6

WoodsAlbumlemue, NM

U s ) ;

R on a ld 3 , 6 9 5 , 5 5 6 A

*

1 0 / 1 9 7 2 GauZZa t a l . 2 4 4 / 3 . 2 9

W_

Greene

A lb u q u erq u e NM Us) 3 , 8 4 1 , 5 8 5 A

*

10/1974 Evers-Euterneck

. . . . . . .

. .

2 4 4 / 3 . l 5

3 , 86 0,199 A 1/1975 Dunne

( 7 3 ) A s s i g n e e : S a n d i a C o r p o r a t i o n ,

A l b u q u e r q u e , NM ( C o n t i n u e d )

( U s ) OTHER UBL IC AT IO NS

( > x ) N o t i c e : S u b j e c t t o

a n y

d i s c l a i m e r , t h e

t e r m

o f t h i s S a l g u e r o ,

D . E . , T r a j e c t o r y

A n a l y s i s a n d O p t i m i z a t i o n

S y s t e m

atem

i s

extended

O r a d - u s t e d

under 35 (TAOS)

U s e r s M a n u a l ,

SAND95-l652, S a n d i a C o r p o r a t l o n ,

%

S

C

1 5 4 ( 1 ) )

b y 1 9 9 d a y J s

P r i n t e d

D e c . 1 9 9 5 , a v a i l a b l e t h r o u g h O S T I .

i i . (Continued)

( 2 1 ) APPL N05 1 2 / 2 4 1 , 4 1 0

P r i m a r y

E x a m i n e r i B e r n a r r

E

G r e g o r y

( 2 2 ) F i l e d

s e p 3 0

2 0 0 8 ( 7 4 )

A t t o r n e y ,

A g e n t , o r FirmiWilliam R . C o n l e y

.

. ,

( 5 7 ) A B S T R A C T

_ _ _ _

A

on-spinning projectile

that is

self-guided

to a laser desig

( 6 0 )

P r O V l s l O n a l apphcanon N O - 6 1 / 0 5 0 , 3 1 0 ? l e d on May n a t e d

t a r g e t a n d

i s

c o n ? g u r e d

t o

b e ? r e d f r o m a

s m a l l

c a l i b e r

R e l a t e d U . S .

A p p l i c a t i o n Data

5 ,

20 0 8

smooth

b o r e gun a r r e l

h a s

an o p t i c a l

s e n s o r mounted

i n

t h e

nose

of

h e p r o j e c t i l e , a c o u n t e r b a l a n c i n g mass

p o r t i o n n e a r

( 5 1 ) I n t - 0- t h e f o r e e n d o f t h e

p r o j e c t i l e

a n d a h o l l o W t a p e r e d b o d y

F

2 3 1 5 / 0 1 ( 2 0 0 6 - 0 1 ) mounted

f t

o f h e c o u n t e r b a l a n c i n g m a s s .

S t a b i l i z i n g s t r a k e s

F 2 3 1 0 / 6 4 ( 2 0 0 6 - 0 1 )

a r e

mounted

t o

a n d e x t e n d o u t W a r d from

t h e

t a p e r e d body

F41G

/ 2

( 2 0 0 6 - 0 1 ) W i t h c o n t r o l ? n s

l o c a t e d a t

t h e a f t end o f h e s t r a k e s . Guidance

F 4 2 B 1 5 / 0 0 ( 2 0 0 6 - 0 1 ) a n d c o n t r o l e l e c t r o n i c s a n d e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s

f o r

F 4 2 3 0 / 6 0 ( 2 0 0 6 - 0 1 ) o p e r a t i n g t h e c o n t r ol

? n s

a r e l o c a t e d W it h i n t h e t a p e r e d

body

F 4 1 G 7

0

( 2 0 0 6 - 0 1 )

s e c t i o n . O u t p u t

f r o m t h e

o p t i c a l

s e n s o r

i s p r o c e s s e d b y t h e

( 5 2 )

U . S .

C l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 244/316; 2 4 4 / 3 . 1 ; 244/315; g u i d a n c e

and

o n t r o l

e l e c t r o n i c s

t o p r o d u c e command

i g n a l s

2 4 4 / - 2 4 ; 1 0 2 / 3 8 2 ; 1 0 2 / 3 8 4 f o r t h e e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s . A u i d a n c e c o n t r o l a l g o

( 5 8 )

F i e l d o f C l a s s i ? c a t i o n

Search

. . . . . . . . .

. . 2 4 4 / 3 . 1 * 3 . 3 ;

r i t h m

i n c o r p o r a t i n g

n o n - p r o p o r t i o n a l ,

bang-bang c o n t r o l i s

8 9 / 1 . 1 1 ; 1 0 2 / 3 8 2 ,

3 8 4 , 4 3 0 , 4 3 9 u s e d t o s t e e r

t h e

p r o j e c t i l e t o

t h e t a r g e t .

S e e a p p l i c a t i o n

? l e

f o r c o m p l e t e

s e a r c h

h i s t o r y .

1 3

C l a i m s ,

9

Drawing

S h e e t s

( . 1 0 0

112

110

102

\| I

A M m

I ::


2/20

U S 7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1

P a g e

2

3 , 9 7 7 , 6 2 9

4 , 1 5 3 , 2 2 4

4 , 3 1 8 , 5 1 5

4 , 4 0 7 , 4 6 5

4 , 4 3 1 , 1 4 7

4 , 4 3 1 , 1 5 0

4 , 5 3 7 , 3 7 1

4 , 5 5 4 , 8 7 1

4 , 5 6 1 , 3 5 7

4 , 5 6 5 , 3 4 0

4 , 5 6 8 , 0 4 0

4 , 7 8 3 , 3 8 2

4 , 9 4 1 , 6 2 7

4 , 9 7 8 , 0 8 8

5 , 0 4 8 , 7 7 2

5 , 0 8 5 , 3 8 0

5 , 0 8 8 , 6 5 8

5 , 1 3 9 , 2 1 6

5 , 4 3 0 , 4 4 9

U S .

PATENT DOCUMENTS

8 / 1 9 7 6

5 / 1 9 7 9

3 / 1 9 8 2

1 0 / 1 9 8 3

2 / 1 9 8 4

2 / 1 9 8 4

8 / 1 9 8 5

1 1 / 1 9 8 5

1 2 / 1 9 8 5

1 / 1 9 8 6

2 / 1 9 8 6

1 1 / 1 9 8 8

7 / 1 9 9 0

1 2 / 1 9 9 0

9 / 1 9 9 1

2 / 1 9 9 2

2 / 1 9 9 2

8 / 1 9 9 2

7 / 1 9 9 5

Tubeuf

R a m p o l l a e t a l .

Leek ....................... . 244/316

M e y e r h o f f

Paley

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

..

244/

.3

E p p e r s o n ,

J r .

LaWhorn

e t

a l .

Nixon

..................... .

244/319

Maudal

et a l .

. . 102/439

Bains ......................

. 244/328

MetZ

Benedick

e t

a l .

Moscrip . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 244/321

Himmert t a l .

Wisshaupt . . . . . . . . . . . . . . . ..

244/323

Barton

Forsmo

...................

.

244/321

L a r k i n

FraZho et

a l .

. . . . . . . . . . . . ..

244/315

5 , 4 8 0 , 1 1 1

5 , 5 9 3 , 1 1 0

5 , 7 7 5 , 6 3 6

5 , 7 8 8 , 1 7 8

6 , 2 3 7 , 4 9 6

6 , 2 8 3 , 4 0 7

6 , 4 2 2 , 5 0 7

6 , 4 6 7 , 7 2 2

6 , 4 7 4 , 5 9 3

6 , 4 7 4 , 5 9 4

6 , 5 4 8 , 7 9 4

6 , 5 6 5 , 0 3 6

7 , 2 5 5 , 3 0 4

7 , 3 5 4 , 0 1 7

A

1 / 1 9 9 6

Smith et

a 1 .

. . . . . . . . . . . . . .

.. 244/327

A 1 / 1 9 9 7 Ransom t a 1 . .. 244/323

A

7/1998

Vig t a 1 .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. .

244/324

A

8 / 1 9 9 8 B a r e t t , J r .

B1 *

5/2001 Abbott

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102/384

B1 9 / 2 0 0 1 Hakenesch

B1

7 / 2 0 0 2

L i p e l e s

B1* 10/2 002 Berry

e t

a 1 .

. . . . . . . . . . . . . . . . 244/321

B1

1 1 / 2 0 0 2

L i p e l e s e t a 1 .

B1

*

1 1 / 2 0 0 2 Johnson et

a 1 . . . . . . . . . . . .. 244/324

B 4/2003 Facciano

e t

a l . 2 4 4 / 3 1

B1 *

5 / 2 0 0 3 Palathingal e t a 1 . . . . . . . . .

244/316

B2 8 / 2 0 0 7

E r i c s o n

e t

a l .

B2 4/2008 Morris e t

a l .

OTHER

PUBLICATIONS

G u i d o t t i , R . A . , A M i n i a t u r e S h o c k - A c t i v a t e d

T h e r m a l

B a t t e r y f o r

M u n i t i o n s

A p p l i c a t i o n s ,

S A N D 9 8 - 0 9 4 0 , S a n d i a C o r p o r a t i o n ,

P r i n t e d

A p r . 1 9 9 8 , a v a i l a b l e t h r o u g h O S T I .

*

c i t e d by

examiner


3/20

US.

Patent A u g . 2 4 ,

2 0 1 0 S h e e t 1 0 1 9 U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9

B1

100

r

/ 1 0 2

M M M

112

200

202

\

v///A

V m

206 204

F i g u r e 2


4/20

US.


2 0 1 0 S h e e t 2 o f 9 U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9

B1

300

250

/

/ 2 0 0

F i g u r e

3

LHHHH /

L 0 2

T u b e 0 p

TITTHTTT

G a s c h e c k

p

End Vie w

F i g u r e

4


5/20

U S . P a t e n t

m a x i m u m

n t e r n a l

t r s s s

k s i )

300

250

200

150

100

5 0

O

A u g . 2 4 ,

2 0 1 0

S h e e t 3 0 f 9 US

, 7 8 1 , 7 0 9 B1

4 1 4 2 ,

quenched

a n d

tempered

t

6 0 0 F

4 1 4 0 , o i l q u e n c h e d a n d

t e m p e r e d

a t 4 0 0 F

, Figure 5

15- 5

PH t a i n l e s s , annealed . _

i 0 9 5 h o t r o l l e d : 1

H 1060

hot

r o l l e d 3/ _

r 0 3 5

c o l d

drawn ax s h e a r s t r e s s

t h e o r y . . .

3 0 4

s t a i n l e s s , a n n e a l e d _____,...-

nun-?- octahedral shear

s t r e s s theory

0 . 2 5

0 . 2 0

0 . 1 5

0 . 1 0

0 . 0 5 0 . 0

W a l l t h i c kn e s s

( i n )

r 00

I

|

I

M I

P l a n View I

= c I >

h

I

l

l 8

/ / ; i / /

T

I

I

I

6 0 4

i

/ V

I /

E d g e

V i e w d E

(

( 9 /

F i g u r e

6


6/20

US.


2 0 1 0 S h e e t 4 o f 9 U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9

B1

F i g u r e

7

Turbulent r

Center

o f L

Pressure

( % o f

L )

Mach

Number

1200

F i g u r e

8 7

Q

6 0 0 i r i R n

( 2 |

R u u m

/

\

G u i d e d

P r a j e c t i l e

e l o c i t ym / s )

R a n g e

( m )


7/20

US.


2 0 1 0 S h e e t

5

o f 9 U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9

B1

100

108

b

114

////////

a

//////////

F i g u r e 9


8/20

US.

Patent

A u g .

2 4 ,

2 0 1 0 S h e e t 6 o f 9 U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9

B1

116a

/ 1 2 0 a

1 1 2 a 1 1 4

\

| \ \

1 2 4

1 2 2

/

l l l / /%/

/ 1

1 1 6 b 2 G b

F i g u r e 1 0

116a 120a

/

1 1 2 a 1 1 4

\

_l\

\ L \

( |

1 2 4 1 2 2

/

| | /

/

I l l / l l

/ /

1

1 1 6 b \

120b

F i g u r e

1 1


9/20

US.


2 0 1 0 S h e e t 7 o f 9 U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9

B1

M i l d s t e e l s h e e t

M a g n e t i c

l u x

e n s i t y

Te s l a )

0 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600

M a g n e t i c f i e l d i n t e n s i t y H

( A t / m

= a m p e r e - t u r n s / m e t e r )

F i g u r e 1 2

V e l o c i t y V e c t o r

H o r i z o n

4

V

T a r g e t

F i g u r e 1 3


10/20

US.

Patent

A u g .

2 4 ,

2 0 1 0 S h e e t 8 o f 9 U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9

B1

T r a j e c t o r y

S l m u l a t l o n

2 :2 2 4

1 . 4

. 2

. 8

. 6

. 4

. 2

Time ( s e c )

F i g u r e 1 4

p r o j e c t i l e

t a r g e t

F i g u r e 1 5


11/20

U S . P a t e n t

112a

A u g . 2 4 ,

2 0 1 0

S h e e t 9 0 f 9 US

, 7 8 1 , 7 0 9 B1

116a

m

( l I I I l l I I I _

120a

I

/

( D

) I l l l l l l l l

|

/

16b ' 12Gb

F i g u r e

1 6


12/20

U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1

1

SMALL CALIBER GUIDED PROJECTILE

RELATED

APPLICATIONS

T h i s

a p p l i c a t i o n

c l a i m s

t h e b e n e ? t o f U S . P r o v i s i o n a l

A p p l i c a t i o n

N o . 6 1 / 0 5 0 , 3 1 0

? l e d

o n

May , 2 0 0 8 , t h e e n t i r e t y

o f W h i c h

i s

h e r e i n i n c o r p o r a t e d b y

r e f e r e n c e .

STATEMENT REGARDING FEDERALLY

SPONSORED RESEARCH OR

DEVELOPMENT

The

U n i t e d

S t a t e s Government h a s c e r t a i n

r i g h t s i n t h i s

i n v e n t i o n

p u r s u a n t t o

D e p a r t m e n t o f E n e r g y

C o n t r a c t

N o .

DE-AC04-94AL85000

W i t h

S a n d i a C o r p o r a t i o n .

F I E L D OF THE INVENTION

T h e i n v e n t i o n

g e n e r a l l y r e l a t e s t o n o n - s p i n n i n g

p r o j e c t i l e s

( e . g .

b u l l e t s ) a d a p t e d

t o

b e

? r e d

f r o m s m o o t h b o r e g u n

b a r

r e l s , t h e p r o j e c t i l e s b e i n g

s e l f - g u i d e d

t o a t a r g e t i l l u m i n a t e d

b y

a l a s e r t a r g e t d e s i g n a t o r .

T h e i n v e n t i o n a d d i t i o n a l l y

r e l a t e s

t o

n o n - s p i n n i n g s m a l l c a l i b e r


h a v i n g a f o r W a r d

v i e W i n g

o p t i c a l s e n s o r ,

c o n t r o l

a n d

g u i d a n c e

e l e c t r o n i c s ,

?xed

s t r a k e s a n d

e l e c t r o m a g n e t i c a l l y a c t u a t e d

c o n t r o l ? n s f o r

s t e e r in g a

p r o j e c t i l e

t o W a r d s t h e t a r g e t .

BACKGROUND

OF THE INVENTION

S e l f g u i d e d p r o j e c t i l e s

( e . g . b u l l e t s )

a s c a n

b e

? r e d

f r o m

s m a l l c a l i b e r W e a p o n s

(eg

o n

t h e o r d e r o f ? f t y

( . 5 0 ) c a l i b e r )

a r e d e s i r e d t o i n c r e a s e t h e

a c c u r a c y o f

p l a c i n g t h e

p r o j e c t i l e

on a t a r g e t from

l o n g

r a n g e ( e g 2000

m e t e r s

and

b e y o n d ) .

L a s e r t a r g e t d e s i g n a t o r s h a v e b e e n u s e d t o

i l l u m i n a t e

( e . g .

d e s ig n a t e ) a

t a r g e t i n c o m b i n a t i o n W i t h o p t i c a l s e n s o r s ,

g u i d

a n c e e l e c t r o n i c s and o n t r o l s u r f a c e s W i t h i n

l a r g e r


s u c h a s m i s s i l e s , t o g u i d e t h e l a r g e r p r o j e c t i l e s t o t h e i r

t a r g e t s .

T o d a t e , t h e s e

s y s t e m s h a v e

b e e n i m p r a c t i c a l t o

r e a l i Z e

W i t h i n

t h e

s i Z e ,

W e i g h t , volume and c o s t c o n s t r a i n t s

o f

s m a l l arms

m u n i t i o n s .

E a r l i e r

a p p r o a c h e s

t o

i m p a r t i n g

g u i d a n c e

t o

s m a l l

c a l i b e r m u n i t i o n s i n c l u d e s p i n n i n g t h e p r o j e c t i l e ( o r p o r t i o n

t h e r e o f )

t o p r o v i d e

a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y , W h i c h g r e a t l y

i n c r e a s e s t h e

c o m p l e x i t y o f

t h e

g u i d a n c e e l e c t r o n i c s a c t u a t

i n g c o n t r o l

s u r f a c e s ,

t i m e d

f o r

When t h e p r o j e c t i l e i s i n a

p r o p e r

o r i e n t a t i o n .

D e - s p i n n i n g

s e c t i o n s o r a p o r t i o n o f t h e

p r o j e c t i l e a g a i n a d d s

c o m p l e x i t y a n d c o s t t o

t h e

p r o j e c t i l e .

These e a r l i e r a p p r o a c h e s

c a n a l s o

i n v o l v e

t h e u s e o f d r a g

i n d u c i n g

c o n t r o l

s u r f a c e s Which

a r e

d i s a d v a n t a g e o u s

f r o m

t h e i r

p e n a l t y

o n t h e

p e r f o r m a n c e o f

t h e

p r o j e c t i l e (eg b y

r e d u c i n g p r o j e c t i l e v e l o c i t y

a n d r a n g e ) .

What s n e e d e d

a r e

g u i d e d

p r o j e c t i l e s s u i t a b l e f o r u s e i n s m a l l

c a l i b e r

m u n i t i o n s

t h a t

a c h i e v e a e r o d y n a m i c

s t a b i l i t y

W i t h o u t

t h e a d d e d

com

p l e x i t y a n d c o s t a s s o c i a t e d W i t h

s p i n n i n g

t h e p r o j e c t i l e ( o r

p o r t i o n t h e r e o f ) a r e

s t e e r e d b y l i f t

i n d u c i n g s u r f a c e s a s

o p p o s e d

t o

d r a g i n d u c i n g

s u r f a c e s ,

a n d

h a v e

t h e

r e q u i r e d

p o W e r ,

c o n t r o l a n d g u i d a n c e e l e c t r o n i c s , a n d a c t u a t o r s y s

tems

?tted Within a m o l d l i n e

a s

can be accommodated i n a

s m a l l c a l i b e r

p a c k a g e .

B R I E F

DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

T h e

a c c o m p a n y i n g

d r a W i n g s ,

W h i c h a r e

i n c o r p o r a t e d

i n

a n d f o r m p a r t o f t h e s p e c i ? ca t i o n , i l l u s t r a t e s e v e r a l e m b o d i

m e n t s o f h e p r e s e n t i n v e n t i o n a n d , t o g e t h e r W i t h t h e d e s c ri p

t i o n , s e r v e t o e x p l a i n t h e

p r i n c i p l e s

o f t h e

i n v e n t i o n .

The

d r a W i n g s p r o v i d e d

h e r e i n a r e n o t draWn

o s c a l e .

F I G . 1 i s a s c h e m a t i c b l o c k diagram

o f

an ex emplary

e m b o d i m e n t o f a

n o n - s p i n n i n g

g u i d e d p r o j e c t i l e

a c c o r d i n g t o

t h e

p r e s e n t

i n v e n t i o n .

2 0

25

3 0

35

4 0

4 5

5 0

55

6 5

2

FIG. 2 i s a

s c h e m a t i c

block diagram of

an

embodiment of

a s a b o t a s can

be

u t i l i Z e d i n a n o n - s p i n n i n g guided r o j e c t i l e

a c c o r d i n g

t o t h e

p r e s e n t

i n v e n t i o n .

FIG.

3

i s

a

s c h e m a t i c c r o s s - s e c t i o n a l

diagram of an

embodiment

o f

a n o n - s p i n n i n g


a n d

s a b o t

o f

t h e

p r e s e n t i n v e n t i o n ,

assembled i n t o a

. 5 0 c a l i b e r

s h e l l c a s

i n g .

F I G .

4 i s a s c h e m a t i c b l o c k diagram o f a h o l l o W

p o r t i o n

o f

a g u i d e d p r o j e c t i l e s b o d y a c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n ,

a n d

t h e

s t r e s s e s upon

? r i n g

a c t i n g t h e r e o n .

F I G .

5

i s

a g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n

o f

t h e

r e s u l t s of s t r u c

t u r a l

s t r e s s

a n a l y s i s f o r

e m b o d i m e n t s

o f g u i d e d p r o j e c t i l e s

a c c o r d i n g

t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .

FIG. 6 i s a

s c h e m a t i c

block diagram of a c o n t r o l

? n and

s h a f t

c o n ? g u r a t i o n

a s can e used i n embodiments o f g u i d e d

p r o j e c t i l e s a c c o r d i n g t o

t h e

p r e s e n t i n v e n t i o n .

F I G . 7

i s

a

g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n

o f a n a e r o d y n a m i c a n a l y

s i s

o f

an embodiment

o f

a

g u i d e d p r o j e c t i l e a c c o r d i n g t o

t h e


F I G .

8

i s

a g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n o f

a n o t h e r a e r o d y n a m i c

a n a l y s i s

o f

a n

embodiment

o f a g u i d e d p r o j e c t i l e a c c o r d i n g t o

t h e

p r e s e n t

i n v e n t i o n .

F I G . 9

i s

a

c r o s s - s e c t i o n a l

s c h e m a t i c

diagram

of

h e a c t u a

t o r s e c t i o n

of an exemplary embodiment of

h e

i n v e n t i o n .

FIGS. 1 0 and 1 1

a r e

s c h e m a t i c b l o c k diagram i l l u s t r a t i o n s

of

an embodiment

of

an

l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r

and

c o n t r o l

?n a s s e m b l y a c c o r d i n g t o t h e i n v e n t i o n .

F I G . 1 2 i s a g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n o f r e s u l t s f o r an e l e c

t r o m a g n e t i c a n a l y s i s of an embodiment f an

c t u a t o r

a c c o r d

i n g t o

t h e p r e s e n t

i n v e n t i o n .

FIG. 1 3 i s a

s c h e m a t i c

b l o c k diagram of

an

embodiment of

a g u i d a n c e

a l g o r i t h m f o r g u i d e d


a c c o r d i n g t o

t h e


F I G . 1 4

i s

a g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n

o f a n

a n a l y s i s o f t h e

t r a j e c t o r y

o f

a n embodiment

o f

a g u i d e d p r o j e c t i l e a c c o r d i n g

t o

t h e p r e s e n t

i n v e n t i o n .

FIG. 15 s a

s c h e m a t i c

i l l u s t r a t i o n

of

i g h t

r e ? e c t e d

o f f of

t a r g e t

from

a

l a s e r t a r g e t

d e s i g n a t o r

a s

r e c e i v e d

by

a n

o p t i c a l

s e n s o r i n

a


a c c o r d i n g

t o

embodiments

o f h e

p r e s e n t

i n v e n t i o n .

F I G . 1 6

i s a s c h e m a t i c

b l o c k diagram l l u s t r a t i o n

o f n o t h e r

embodiment of an

e l e c t r o m a g n e t i c

a c t u a t o r and

c o n t r o l ?n

a s s e m b l y a c c o r d i n g

t o

t h e

i n v e n t i o n .

DETAILED

DESCRIPTION

OF THE INVENTION

While e x e m p l a r y embodiments

o f

t h e i n v e n t i o n a r e

d e s c r i b e d

i n

t e r m s o f

a p r o j e c t i l e s u i t a b l e

f o r i n c o r p o r a t i o n

i n t o

. 5 0 c a l i b e r

m u n i t i o n s , embodiments o f h e p r e s e n t i n v e n

t i o n a r e n o t

l i m i t e d t o

t h i s

s p e c i ? c c a l i b e r .

The

f o l l o W i n g US

P a t e n t s a r e

h e r e b y


b y r e f e r e n c e , i n

t h e i r

e n t i r e t y

i n t o t h e

p r e s e n t d i s c l o s u r e :

U S .

P a t . N o s .

6 , 4 7 4 , 5 9 3

a n d

6 , 4 2 2 , 5 0 7 t o

L i p e l e s

e t

a l . ,

US.

a t . N o . 5 , 7 8 8 , 1 7 8

t o

B a r r e t t ,

J r . , and U S .

a t .

N o .

4 , 4 0 7 , 4 6 5

t o M e y e r h o f f . I n t h e e v e n t

o f

an

i n c o n s i s t e n c y i n t h e d i s c l o su r e s

o f

t h e

a b o v e l i s t e d r e f e r

e n c e s and

t h e p r e s e n t d i s c l o s u r e , t h e t e x t

o f

t h e p r e s e n t d i s

c l o s u r e s h a l l

g o v e r n .

S m a l l c a l i b e r p r o j e c t i l e s a r e t y p i c a l l y

s p u n

a t

v e r y

h i g h

r a t e s t o p r o v i d e

a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y

t o t h e

p r o j e c t i l e

d u r i n g

? i g h t . S p i n n i n g o f t h e s e p r o j e c t i l e s i s

c a u s e d

b y t h e i n t e r a c

t i o n o f

t h e

body o f

t h e p r o j e c t i l e

W i t h

t h e r i ? e d i n t e r n a l

s u r f a c e

o f

a

t y p i c a l gun b a r r e l . A y p i c a l . 5 0 c a l i b e r

b u l l e t

r o t a t e s a p p r o x i m a t e l y 2400 e v /

s e c upon x i t i n g

a gun a r r e l ,

Which

c o u l d g e n e r a t e i n e x c e s s o f 1 0 0 , 0 0 0 g s o f c e n t r i p e t a l

a c c e l e r a t i o n .

I n

o r d e r t o s i m p l i f y

t h e c o n t r o l s y s t e m a n d

f a c i l i t a t e

m e c h a n i c a l i n t e g r i t y

o f s e l f - g u i d e d p r o j e c t i l e s , t h e

p r o j e c t i l e s of t h e

p r e s e n t i n v e n t i o n

a r e

i n t e n d e d

t o be

non


13/20

U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1

3

s p i n n i n g ( i . e .

n o n - s p u n )

and a r e i n t e n d e d

t o be

? r e d from

a

smooth

o r e

gun

a r r e l . A

ominal s p i n

r a t e o f

a

feW r e v o l u

t i o n s p e r

second can be

e x p e c t e d due

t o

v a r i a b i l i t i e s i n e n v i

r o n m e n t a l v a r i a b l e s

and t h e

m a n u f a c t u r e

o f p r o j e c t i l e s and

b a r r e l s .

F o r t h e

p u r p o s e

o f t h e p r e s e n t d i s cl o s u r e t h e t e r m

n o n - s p i n n i n g p r o j e c t i l e

r e f e r s

t o

a

p r o j e c t i l e

t h a t

d o e s n o t

r e q u i r e o r

u t i l i Z e

s p i n n i n g t o a c h i e v e

a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y ,

and i s

i n t e n d e d t o be

?red from

a smooth

b o r e

b a r r e l . A

nominal s p i n

r a t e

( e g o n

t h e o r d e r

of

feW r e v o l u t i o n s p e r

s e c o n d ) o f

a


p r o j e c t i l e

may

o c c u r d u e t o

u n c o n t r o l l a b l e e n v i r o n m e n t a l a n d m a n u f a c t u r i n g f a c t o r s .

W i t h o u t

s p i n

s t a b i l i z a t i o n ,

t h e

p r i n c i p l e s o f p a s s i v e a e r o

d y n a m i c s t a b i l i t y a r e

e m p l o y e d

t o m a i n t a i n c o n t r o l l e d ? i g h t

o f

p r o j e c t i l e s a c c o r d i n g t o

t h e

p r e s e n t i n v e n t i o n . T h e s e

i n c l u d e ; moving

t h e c e n t e r

o f

g r a v i t y

f o r W a r d

i n t h e u n - s p u n

p r o j e c t i l e body a s

o p p o s e d

t o

a

t y p i c a l . 5 0 c a l i b e r

s p i n n i n g

p r o j e c t i l e W h e r e i n

t h e

c e n t e r o f

g r a v i t y

i s t o W a r d

t h e

r e a r o f

t h e

b o d y , d e s i g n i n g

t h e

p r o j e c t i l e

s o

a s t o e n s u r e

t h e a e r o d y

namic c e n t e r o f r e s s u r e

i s

a f t o f t h e c e n t e r o f r a v i t y , l e n g t h

e n i n g

t h e

b o d y o f

t h e

p r o j e c t i l e

a n d ,

a d d i n g ? x e d

? n s

( e . g .

? x e d s t r a k e s )

a l o n g

a l e n g t h o f t h e p r o j e c t i l e b o d y . L o n g e r


a r e p r a c t i c a l W i t h i n

t h e

b o u n d s

o f

t y p i c a l . 5 0 c a l i

b e r

c a r t r i d g e s .

For an

embodiment

s

d e s c r i b e d

i n

t h e

f o l l o W

i n g

e x a m p l e s

a n d a n a l y s e s ,

a

p r o j e c t i l e n o m i n a l l y

4

i n c h e s i n

l e n g t h Was s e l e c t e d

Which i l l e a s i l y

? t W i t h i n a s t a n d a r d

. 5 0

c a l i b e r c a r t r i d g e s

5 . 4 5

i n c h o v e r a l l l e n g t h

( e . g .

s t a n d a r d . 5 0

c a l i b e r B M G a r t r i d g e ) .

F I G . 1 i s a s c h e m a t i c block

diagram

of an embodiment of

a



p r o j e c t i l e

a c c o r d i n g

t o

t h e

p r e s e n t

i n v e n t i o n .

P r o j e c t i l e

1 0 0

c o m p r i s e s

a

f o r W a r d l o o k i n g o p t i c a l

s e n s o r

1 0 2 d i s p o s e d i n t h e

n o s e o f

t h e p r o j e c t i l e f o r d e t e c t i n g

l i g h t

r e ? e c t e d

f r o m a

t a r g e t

i l l u m i n a t e d by a

l a s e r t a r g e t

d e s i g n a t o r

a s i s kn oWn i n t h e a r t .

A

o u n t e r b a l a n c e mass

104

l o c a t e d i n a f o r W a r d s e c t i o n o f h e p r o j e c t i l e 100 c a n c o m p r i s e

f o r e x a m p l e ,

a

h i g h d e n s i t y m e t a l s u c h

a s

t u n g s t e n o r d e p l e t e d

u r a n i u m .

I n t h e c o n t e x t o f t h e p r e s e n t d i s c l o s u r e a

h i g h

den

s i t y m e t a l r e f e r s

t o

m e t a l s h a v i n g a d e n s i t y g r e a t e r

t h a n

t h a t o f

i r o n .

On e

f u n c t i o n

of

h e

counterbalance

mass 104

s

t o

cause

t h e

c e n t e r o f

g r a v i t y Cg o f t h e

p r o j e c t i l e 100 t o o c c u r

a t a

l o c a t i o n

f o r W a r d o f

t h e

c e n t e r o f a e r o d y n a m i c p r e s s u r e

C F

a l o n g

t h e

l e n g t h o f

t h e


As d e s c r i b e d b e l o W ,

t h i s


i m p a r t s

a

d e g r e e o f

p a s s i v e

a e r o d y n a m i c s t a

b i l i t y t o t h e p r o j e c t i l e . F o r some

embodiments

o f

t h e

i n v e n

t i o n , i t h a s b e e n

f o u n d

t h a t e x e m p l a r y l o c a t i o n s f o r t h e c e n t e r

of g r a v i t y of a

p r o j e c t i l e

can

occur

W i t h i n a

range

of from

a p p r o x i m a t e l y

30% o 4 0% o f t h e

l e n g t h o f

t h e p r o j e c t i l e , a s

m e a s u r e d f r o m t h e f o r W a r d

i p o f

h e p r o j e c t i l e t o W a r d s t h e

a f t

e n d

o f t h e p r o j e c t i l e .

A u i d a n c e and

c o n t r o l


module

106

c a n

be

l o c a t e d

i n

t h e mid-body o f t h e p r o j e c t i l e and a n a c t u a t o r

module

108

i n c o r p o r a t i n g

e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s t o con

t r o l t h e

movement of c o n t r o l ?ns 112 f o r s t e e r i n g ,

can be

l o c a t e d i n t h e

r e a r

p o r t i o n o f t h e p r o j e c t i l e .

G u i d a n c e

and

c o n t r o l e l e c t r o n i c s module

106

and

a c t u a t o r

module

108 can

b e

c o n t a i n e d

W i t h i n

a

h o l l o W c y l i n d e r ( e . g . t u b e )

t h a t

f o r m s

a

p o r t i o n

o f t h e

body

o f t h e

p r o j e c t i l e 1 0 0 .

C o n t r o l ? n s 1 1 2 c a n

b e mounted t o W a r d s

t h e a f t

end o f

t h e p r o j e c t i l e t o i n c r e a s e

t h e i r

e f f e c t i v e n e s s , b y c r e a t i n g a l a r g e r

moment

e . g . l e v e r

a g e )

a b o u t

t h e


c e n t e r

o f m a s s . R o t a t i o n

o f t h e

c o n t r o l ? n s

112

c a u s e s l i f t t o

be i m p a r t e d t o


b o d y ,

i n c o n t r a s t t o t h e u t i l i Z a t i o n o f d r a g i n d u c i n g c o n t r o l

s u r f a c e s .

F i x e d

s t r a k e s 1 1 0 l o c a t e d a d j a c e n t t o and o r W a r d

o f

t h e

c o n t r o l

? n s 1 1 2

e x t e n d

a l o n g t h e t a p e r e d p r o ? l e o f t h e

p r o j e c t i l e body

a n d

s e r v e t o i m p a r t

a n a d d i t i o n a l

d e g r e e

o f

p a s s i v e a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y t o t h e p r o j e c t i l e . An x a m p l e o f

t h e

o p e r a t i o n o f

h e

p r o j e c t i l e

1 0 0 i s f o r t h e o p t i c a l s e n s o r 1 0 2

i n c o mb i n a t i o n W i t h t h e g u i d a n c e a n d c o n t r o l


2 0

25

3 0

35

4 0

4 5

5 0

55

60

6 5

4

module 1 0 6 t o d e t e r m i n e

t h e

o r i e n t a t i o n o f

h e p r o j e c t i l e

W i t h

r e s p e c t t o a l a s e r - d e s i g n a t e d

t a r g e t . T h a t i n f o r m a t i o n i s

u t i

l i Z e d

W i t h i n

t h e g u i d a n c e

a n d

c o n t r o l module 1 0 6 t o

g e n e r a t e

command ( e . g .

d r i v e )

s i g n a l s f o r t h e a c t u a t o r s W i t h i n t h e

a c t u a t o r

module

1 0 8 .

The c t u a t o r s

d r i v e t h e c o n t r ol

? n s

1 1 2 ,

c o r r e c t i n g t h e

p r o j e c t i l e s a t t i t u d e

a n d s t e e r i n g i t t o W a r d t h e

t a r g e t .

I n embodiments o f t h e

i n v e n t i o n ,

t h i s o p e r a t i o n c a n b e

r e p e a t e d a p p r o x i m a t e l y 3 0 t i m e s p e r s e c o n d , W h i c h r e s u l t s i n

a p r o j e c t i l e s u i t a b l e f o r u s e a g a i n s t moving o r s t a t i o n a r y

t a r g e t s .

FIG. 2 i s a

s c h e m a t i c

block

diagram

of

an

embodiment of

a

s a b o t

a s

can be

u t i l i Z e d i n

c o n j u n c t i o n With

a

non-spinning

g u i d e d p r o j e c t i l e a c c o r d i n g

t o

t h e p r e s e n t i n v e n t i o n . Embodi

m e n t s o f

t h e p r e s e n t i n v e n t i o n

( s u c h a s

i l l u s t r a t e d i n

F I G .

1 )

i n c o r p o r a t e c o n t r o l ? n s 1 1 2

a n d

s t r a k e s 1 1 0

t h a t e x t e n d

from

t h e

t a p e r e d

p r o ? l e

o f

h e

p r o j e c t i l e

b o d y

t h e r e b y n o t

r e q u i r i n g

p o s t - ? r i n g

deployment o r e x t e n s i o n o f c o n t r o l ? n s

o r

s t r a k e s

f r o m W i t h i n t h e b o d y o f t h e p r o j e c t i l e 1 0 0 . T h i s

g r e a t l y

r e d u c e s t h e c o m p l e x i t y , c o s t , s i Z e a n d W e i g h t o f t h e a c t u a t o r

mechanisms W i t h i n module 1 0 8 , Which n t e r a l i a , a l l o W s ? t

t i n g o f t h e s e

a s s e m b l i e s

W i t h i n t h e body o f a s m a l l

c a l i b e r

m u n i t i o n . S a b o t 200 c o m p r i s e s a s l e e v e 202 o f m a t e r i a l t h a t

s u r r o u n d s

a t

l e a s t

a p o r t i o n

of

t h e

p r o j e c t i l e

and

can

be

a s s e m b l e d

W i t h

t h e p r o j e c t i l e i n t o a c a r t r i d g e . S a b o t

2 0 2

c r e a t e s a smooth x t e r i o r

mold i n e

f o r t h e

p r o j e c t i l e body

by

? l l i n g i n t h e s p a c e a r o u n d c o n t r o l ? n s 1 1 2 and

s t r a k e s

1 1 0 ,

p r e s e n t i n g a u n i f o r m s u r f a c e t o t h e gun a r r e l ,

t h e r e b y p r o

t e c t i n g ? n s

1 1 2 a n d

s t r a k e s

1 1 0 f r o m

damage

upon ? r i n g .

S a b o t 2 0 0

i s s e p a r a t e d

a n d

d i s c a r d e d f r o m t h e

p r o j e c t i l e upon

? r i n g and can be f a b r i c a t e d from m a t e r i a l s

s u c h

a s h i g h

s e r v i c e t e m p e r a t u r e

p o l y m e r s

( e . g . p o l y i m i d e b a s e d p o l y

m e r s )

o r m e t a l s , a n d

c a n c o m p r i s e s e v e r a l s l i t s

2 0 4

a l o n g t h e

l e n g t h o f t h e s a b o t

2 0 0

t o

f a c i l i t a t e

s e p a r a t i o n o f t h e s a b o t

from t h e p r o j e c t i l e upon

e x i t

from a gun

b a r r e l .

I n s om e

embodiments o f t h e s a b o t

200

m a n u f a c t u r e d

from

a polymer

m a t e r i a l ,

an

end c a p 206 made o f a m e t a l ( e . g . b r a s s , c o p p e r

o r

aluminum)

can be

i n c l u d e d

t o o p t i m i Z e

t h e

t r a n s f e r of

e n e r g y

o f

t h e

e x p a n d i n g

g a s e s

from

? r i n g

t o

t h e

f o r W a r d

m o t i o n

o f t h e

p r o j e c t i l e

1 0 0 .

FIG. 3 i s a s c h e m a t i c c r o s s - s e c t i o n a l

diagram

of an

embodiment

o f

a n o n - s p i n n i n g


a n d s a b o t

o f

t h e p r e s e n t i n v e n t i o n ,

assembled

W i t h a . 50 c a l i b e r

s h e l l

c a s

i n g . T h e c a r t r i d g e a s s e m b l y 3 0 0

c o m p r i s e s

p r o j e c t i l e 1 0 0

i n s e r t e d i n s a b o t 200 Which

s

i n t u r n i n s e r t e d i n s h e l l c a s i n g

2 5 0 . S h e l l c a s i n g 250 i n t h i s example i s

i l l u s t r a t i v e

o f

a

s t a n d a r d

. 5 0

c a l i b e r

BMG

a s i n g .

The v o i d a r e a around

and

b e h i n d s a b o t

2 0 0 Would t y p i c a l l y c o n t a i n t h e

p r o p e l l a n t

c h a r g e t o ? r e t h e

m u n i t i o n .

The f o l l o W i n g d i s c l o s u r e

d e t a i l s

t h e

v a r i o u s e l e m e n t s

o f

e m b o d i m e n t s

o f o n - s p i n n i n g


p r o j e c t i l e s a c c o r d

i n g t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , a n d a n a l y s e s

o f

t h e s e

e l e m e n t s

p e r f o r m e d

u s i n g

c o m m o n l y k n o W n

m e c h a n i c a l

d e s i g n

a n d

s i m u l a t i o n

c o d e s . F o r

e x a m p l e ; M i s s i l e

Datcom a n d

TAOS c o d e s

( s e e

S a l g u e r o , D .

E .

T r a j e c t o r y

A n a l y s i s

a n d

O p t i m i z a t i o n S y s t e m ( T A O S ) U s e r s M a n u a l , SAND95

1 6 5 2 ,

S a n d i a

N a t i o n a l L a b o r a t o r i e s ,

p r i n t e d D e c e m b e r

1 9 9 5 ,

a v a i l a b l e t h r o u g h

O S T I .

C o n s i d e r i n g

a p r o j e c t i l e a s

i l l u s t r a t e d

i n

F I G .

1 , t h e s t r u c

t u r e

o f t h e p r o j e c t i l e

i s

d e s i g n e d t o W i t h s t a n d a n e x p e c t e d

1 2 0 , 0 0 0

g s o f

a c c e l e r a t i o n

a n d 5 0 , 0 0 0 p s i o f p r e s s u r e d u e t o

e x p a n d i n g

g a s e s W it h i n t h e

b a r r e l

d u r i n g

? r i n g . The r e a r

o f

t h e

p r o j e c t i l e

i s

r e l a t i v e l y s m a l l

a n d

t h u s s t r u c t u r a l l y

W e l l

s u p p o r t e d .

The n o s e o f


c a n c o m p r i s e

a s l u g

o f

h i g h

d e n s i t y m e t a l

( e . g .

t u n g s t e n )

W i t h

s p a c e

i n t h e

n o s e o f h e

s l u g f o r a n o p t i c a l s e n s o r .

The

most v u l n e r a b l e

p a r t

o f

t h e

s t r u c t u r e

i s

p r e s u m a b l y

t h e

c y l i n d r i c a l

s i d e W a l l s o f t h e main

p r o j e c t i l e

b o d y

( e . g . c o n t r o l a n d g u i d a n c e s e c t i o n 1 0 6 a n d


14/20

U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1

5

a c t u a t o r s e c t i on 1 0 8 ) and h e a x l e s o n t o Which h e c o n t r ol ?ns

1 1 2

a r e m o u n t e d .

The o l l o w i n g

a n a l y s i s i n d i c a t e s t h a t

v a l u e s

o f 0 . 0 5 0 t h i c k si d e W a l l s

and

0 . 0 2 5 d i a m e t e r c o n t r o l ?n

a x l e s

a l l o W f o r a m p l e s t r u c t u r a l s t r e n g t h u s i n g r e a d i l y a v a i l

a b l e

e n g i n e e r i n g s t e e l s .

The

p u r p o s e

o f h i s

a n a l y s i s

i s t o d e t e r m i n e d e s i g n param

e t e r s

f o r t h e h o l l o W g u i d a n c e

a n d

a c t u a t o r s e c t i o n ( s ) o f t h e

g u i d e d

p r o j e c t i l e

t o

W i t h s t a n d

t h e

e x p e c t e d

c h a m b e r p r e s s u r e .

The


i s d e p i c t e d i n

F I G .

4 , W h e r e i n t h e h o l l o W

p o r t i o n 4 0 0 o f a

p r o j e c t i l e

b o d y

i s

r e p r e s e n t e d b y a

c y l i n d e r

4 0 2

a n d

g a s c h e c k

4 0 4

(eg

e n d

c a p ) . T h e a n a l y s i s i s s i m p l i

?e d t o

c o n s i s t o f

one end of

holloW tube With a

g a s check

Which

s s u r r o u n d e d

by

h e chamber r e s s u r e p . The

o t h e r

e n d o f h e t u b e

i s e x p o s e d

t o

a t m o s p h e r i c p r e s

s u r e

making

h e

i n s i d e

p r e s s u r e

e f f e c t i v e l y Z e r o

p r e s s u r e .

Note t h a t t h e

g a s

c h e c k

i s

shoWn s e p a r a t e d f r o m t u b e f o r c l a r i t y b u t When

a s s e m b l e d Would

form a

g a s t i g h t s e a l

a g a i n s t

o n e end o f

t h e

t u b e .

R a d i a l s t r e s s i n t h e t u b e W a l l i s g i v e n b y :

Where:

o , : r a d i a l

s t r e s s

p i : i n t e m a l

p r e s s u r e

p 0 : e x t e m a l p r e s s u r e

a I i n n e r

r a d i u s o f t u b e

b : o u t e r r a d i u s o f t u b e

Fradius of

t r e s s

c a l c u l a t i o n

The

n t e r n a l

p r e s s u r e

i s

assumed

o

be

e r o

and

h e e x t e r n a l

p r e s s u r e i s assumed o be a

f r a c t i o n

of h e chamber r e s s u r e ,

prpmaxxC, Where

C s

a r e d u c t i o n

f a c t o r . S e v e r a l

f a c t o r s

cause

t h e

W a l l s of

t h e p r o j e c t i l e t o s e e a

p r e s s u r e t h a t i s

r e d u c e d r e l a t i v e

t o

t h a t

measured i n t h e

c h a m b e r .

F l u i d i c

f a c t o r s : The s m a l l

g a p betWeen

h e b a s e o f

t h e

p r o j e c t i l e

and

t h e

b a r r e l W a l l

r e s t r i c t s

g a s ? o W a r o u n d

t h e

p r o j e c t i l e , r e d u c

i n g p r e s s u r e s

from

t h o s e s e e n

b e h i n d

t h e p r o j e c t i l e . T h i s i s

e s p e c i a l l y t r u e i n

a

smooth-bore Weapon, a s i s planned

f o r

? r i n g embodiments o f t h e p r e s e n t

i n v e n t i o n .

I n

a d d i t i o n , a s

t h e

p r o j e c t i l e t a p e r s t o W a r d i t s t i p ,

t h e

g a p

b e t W e e n t h e p r o

j e c t i l e

a n d

t h e b o r e W a l l

i n c r e a s e s ,

a l l o W i n g g a s e s t h a t

Would

otherWise

e x e r t p r e s s u r e o n h e s i d e W a l l s t o

vent

ahead

of

h e


M e c h a n i c a l

f a c t o r s : The

i n t e r n a l

volume

o f t h e

p r o j e c t i l e

body

can be

? l l e d

W i t h an

epoxy

o r e l a s t o m e r i c

m a t e r i a l , a s i n

p o t t i n g

o f

t h e

i n t e r n a l e l e c t r o n i c s , c a p a b l e o f

s u p p o r t i n g

a s s t r e s s a s g r e a t a s

10 ks i.

This can

reduce

t h e

r a d i a l

and a n g e n t i a l s t r e s s e s on

h e W a l l .

The s a b o t

s u r r o u n d

i n g

t h e p r o j e c t i l e may

a l s o r e l i e v e some f r a c t i o n o f

t h e p r e s

s u r e

a p p l i e d .

I n i t i a l i n v e s t i g a t i o n s s u g g e s t

t h a t a

r e d u c t i o n f a c t o r o f

C:0. 25 r e s u l t s i n

a

c o n se r v a t i v e e s t i m a t e

of t h e s i d e W a l l

p r e s s u r e . Numerical c a l c u l a t i o n

of

s t r e s s e s a c r o s s

t h e t h i c k

n e s s

o f h e

W a l l

i n d i c a t e s

p e r h a p s c o u n t e r - i n t u i t i v e l y , t h a t t h e

h i g h e s t i n t e r n a l s t r e s s e s o c c u r a t t h e i n t e r n a l s u r f a c e o f t h e

c y l i n d r i c a l

c h a m b e r

W a l l .

I n t h i s c a s e ( E q n . 1 ) b e c o m e s ;

0 , : 0 .

( E q n .

2 )

2 0

25

3 0

35

4 0

4 5

5 0

55

60

6 5

6

T a n g e n t i a l s t r e s s

( o t )

i s

g i v e n

b y ;

A p p l y i n g

t h e

same

a s s u m p t i o n s

a s

f o r

r a d i a l s t r e s s

( E q n .

3 )

b e c o m e s ;

p b 2 a z b z p / r 2 ( E q n - 4 )

U

=

Thus

t h e

t a n g e n t i a l

s t r e s s a t t h e i n t e r n a l W a l l i s ;

_ 2 b 2

( E q n .

5 )

U : b2-a2p'

To c a l c u l a t e t h e a x i a l

s t r e s s

( 0 1 ) ,

We

i l l assume h a t a g a s

check

t r a n s f e r s

t h e f o r c e

due

t o

t h e

chamber

p r e s s u r e

t o

t h e

e n d

o f t h e t u b e . The f o r c e a p p l i e d t o t h e g a s c h e c k i s ;

F : T | b 2 p .

( E q n .

6 )

T h u s , a x i a l

s t r e s s may b e c a l c u l a t e d

b y

d i v i d in g t h e

a p p l i e d

f o r c e by h e c r o s s - se c t i o n a l a r e a o f h e

t u b e W a l l a n d

a p p l y i n g

t h e s i g n c o n v e n t i o n

p o s i t i v e

t e n s i o n ;

By

h e

maximum h e a r - s t r e s s

t h e o r y ,

t h e y i e l d

s t r e n g t h o f

t h e m a t e r i a l u s e d must e

g r e a t e r

t h a n t h e l a r g e s t

d i f f e r e n c e i n

normal

s t r e s s e s .

I n t h i s c a s e f a i l u r e i s a v o i d e d When;

A ore

re?ned

e s t i m a t e can be made

s i n g

o c t a h e d r a l s h e a r

s t r e s s t h e o r y ( a . k . a . d i s t o r t i o n

e n e r g y

o r von

M i s e s - H i n c k e y

t h e o r y ) .

I n

t h i s

c a s e

f a i l u r e

i s

a v o i d e d

When;

y 2

Which

r e d u c e s

t o ;

b z p ( E q n . 1 1 )

S y > \Em.


15/20

U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1

7

The

computed

e s u l t s a r e d i s p l a y e d

g r a p h i c a l l y

i n F I G . 5

a n d

compared

W i t h

t h e y i e l d s t r e s s

o f s e v e r a l s t e e l s . The

computed

maximum n t e r n a l s t r e s s e s i n p r o j e c t i l e s t r u c t u r e s

a s a

f u n c t i o n of

i d e W a l l t h i c k n e s s i s shoWn

c c o r d i n g

t o

both

t h e

m a x i m u m

s h e a r s t r e s s

t h e o r y and

t h e o c t a h e d r a l

s h e a r

s t r e s s

t h e o r y . The i e l d s t r e s s e s o f v a r i o u s

s t e e l s

a r e shoWn n

comparison. T he W a l l t h i c k n e s s of 0.050 Was s e l e c t e d

a s a

s t a r t i n g p o i n t f o r t h e o t h e r a n a l y s e s d e s c r i b e d

i n

t h i s

d o c u

m e n t . The ? g u r e s h o W s t h a t t h e m a t e r i a l s l i s t e d , W i t h t h e

p o s s i b l e e x c e p t i o n o f

a n n e a l e d

3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l ,

c o u l d

b e

used t o

b u i l d

a p r o j e c t i l e

s t r u c t u r e

With

0 . 0 5 0

s i d e W a l l s

c a p a b l e o f

W i t h s t a n d i n g

t h e p r e s s u r e s e x p e r i e n c e d

d u r i n g

? r i n g .

V a l u e s

f o r

t h e y i e l d s t r e s s o f t h e v a r i o u s s t e e l s shoWn

a r e

a d o p t e d

from

commonly

a v a i l a b l e r e s o u r c e s .

The f o l l o W i n g a n a l y s i s Was c o n d u c t e d

t o

d e t e r m i n e d e s i g n

p a r a m e t e r s

f o r a r o b u s t

c o n t r o l

? n - s h a f t

a s s e m b l y . F I G .

6

i l l u s t r a t e s p l a n a n d e d g e

v i e W s o f

a c o n t r o l ?n a s s e m b l y

comprising c o n t r o l ? n mounted

o n

a

r o t a t a b l e

s h a f t

6 0 4 .

Assuming

h a t t h e c o n t r o l

?n n d

t h e s h a f t

may e

f a b r i c a t e d

f r o m

i f f e r e n t m a t e r i a l s ,

t h e

m a s s o f

h e

a s s e m b l y i s g i v e n

b y ;

m I p f I / ? p S V S . ( E q n . 1 2 )

Where

p i s

d e n s i t y ,

V s v o l u m e , a n d

t h e

s u b s c r i p t s

f

and

s

r e f e r

t o t h e ?n

a n d

t h e

s h a f t r e s p e c t i v e l y .

S u b s t i t u t i n g g e o

m e t r i c p a r a m e t e r s

f o r t h e

?n n d

s h a f t

g e o m e t r i e s

i n t o

( E q n .

1 2 ) y i e l d s ;

7 r

2

7 r d 2

( E q n -

1 3 )

=

d

S h S h.

m

p f c

f 4 + p ; 4

Th e

s t r e s s

i n t h e s h a f t may be W r i t t e n a s ;

M ( E q n . 1 4 )

0

=

1

S i n c e t h e s h a f t i s

r o u n d ;

n d ? ( E q n - 1 5 )

1

=

64

Th e maximum

t r e s s

o c c u r s a t t h e

o u t e r

?ber of

t h e

s h a f t ,

t h u s ;

y I l / 2 d S . ( E q n . 1 6 )

The ma x im um

moment,

M,

i s t h e

a p p l i e d

l o a d t i m e s t h e

d i s t a n c e from t h e

a p p l i e d l o a d

t o t h e

b a s e o f

t h e

s h a f t . The

a p p l i e d

l o a d i s t h e

t o t a l

mass t i m e s a c c e l e r a t i o n

and

t h e

d i s t a n c e

i s from h e b a s e of h e s h a f t t o t h e c e n t e r of a s s , o r ;

MIl/2 m a h .

( E q n . 1 7 )

S u b s t i t u t i n g

( E q n s .

1 5 - 1 7 ) i n t o

( E q n . 1 4 ) a n d t a k i n g

t h e a b s o

l u t e v a l u e g i v e s ;

6 4

2 0

25

3 0

35

4 0

4 5

5 0

55

60

6 5

S i m p l i f y i n g y i e l d s ;

_ 1 6 mah

( E q n .

1 9 )

N e x t , t h e

mass

o f

t h e c o n t r o l

?n

and

s h a f t

a s s e m b l y

i s

c a l c u l a t e d f o r tWo c a s e s .

I n

t h e ? r s t c a s e ,

both

h e

? n

and h e

s h a f t

a r e f a b r i c a t e d from

t e e l .

I n t h e

second c a s e , t h e ? n

s

of

t i t a n i u m a n d t h e

s h a f t

i s

s t e e l .

U s i n g t h e a p p r o p r i a t e dimen

s i o n s , l e t

d f : d s : 0 . 0 5 i n c h e s

h:0.10 i n c h e s

c:0.20

i n c h e s

a n d ,

p s t e e l : 0 . 2 8 9

l b m

l b m / i n 3

p H I O .

1 6 3

l b m

l b m / i n 3

Note h a t

t h e

d i a m e t e r o f

t h e s h a f t

i s

e q u a l t o t h e t h i c k n e s s

o f

t h e

?n

f o r

b o t h

c a s e s .

T h i s g i v e s f o r C a s e 1 ( a l l S t e e l ) ,

m l : 2 . 8 9 > < 1 0 _ 4 l b m a n d , f o r c a s e 2 ( T i t a n i u m a n d

S t e e l )

m 2 : 1 . 8 8 > < 1 0 _ 4

l b m .

N e x t , t h e m a s s v a l u e s a n d

o t h e r

param

e t e r s f o r b o t h c a s e s can be s u b s t i t u t e d i n t o ( E q n . 1 9 ) . Case 1

( a l l S t e e l ) o 1 : 1 4 1 k s i a n d

f o r

c a s e

2

( T i t a n i u m a n d S t e e l )

0 2 : 9 2 . 0 k s i .

S i n c e t h e y i e l d s t r e s s o f 410 SS i s 1 7 8 k s i and o 1

c a l c u l a t e d

f o r b o t h

c a s e s

i s l e s s t h a n t h i s v a l u e , t h e ? n s h a f t may be

f a b r i c a t e d u s i n g a

commonly

v a i l a b l e e n g i n e e r i n g

m a t e r i a l .

I f s u ? i c i e n t mass

c o u l d

be

removed

from h e

? n

s t r u c t u r e

i t i s

p o s s i b l e

t h e ?n s h a f t

c o u l d be

f a b r i c a t e d from a 300 s e r i e s

s t a i n l e s s

s t e e l

t o

r e d u c e c o s t .

The f o l l o W i n g

a n a l y s i s in d i c a t e s t h a t t h e c e n t e r o f mass

o f


a c c o r d i n g

t o t h e i n v e n t i on

c a n

b e

mo ved

f o r W a r d

e n o u g h , i . e . f o r W a r d o f t h e p r o j e c t i l e s c e n t e r o f p r e s s u r e ,

a l o n g

t h e

l e n g t h

o f t h e

p r o j e c t i l e t o

i n s u r e a e r o d y n a m i c s t a

b i l i t y . A

o m i n a l

l e n g t h o f

4

i n c h e s

( ~ 1 0 0

mm)

h a s

b e e n

s e l e c t e d f o r

t h e

e x e m p l a r y

embodiment

o f

a

g u i d e d

p r o j e c t i l e

a s

shoWn n

F I G .

1 . I t ? t s e a s i l y W i t h i n t h e s t a n d a r d . 5 0

c a l i b e r

c a r t r i d g e s 5 . 4 5 i n c h o v e r a l l l e n g t h a n d i s l o n g

e n o u g h

t o

s t a b i l i Z e

t h e

b o d y . The

c e n t e r

o f

mass

i s mo ved f o r W a r d by

u s i n g h i g h d e n s i t y m a t e r i a l ( e g

t u n g s t e n ,

d e p l e t e d u r a n i u m )

i n t h e c o u n t e r b a l a n c e p o r t i o n o f t h e p r o j e c t i l e .

R e m a i n i n g

p o r t i o n s o f

t h e

p r o j e c t i l e a r e

d e t e r m i n e d

b y

f u n c t i o n a l

r e q u i r e m e n t s . The ? n

a c t u a t o r s a r e

i n t h e

r e a r

p o r t i o n a s

c o n t r o l ? n s a r e most e f f e c t i v e Where t h e y h a v e t h e l o n g e s t

moment ( l e v e r a g e ) a b o u t t h e

b o d y s

c e n t e r

o f m a s s . The

r e m a i n d e r o f t h e

i n t e r i o r

i s

a v a i l a b l e f o r

b a t t e r i e s

and

e l e c

t r o n i c s .

M a t e r i a l d e n s i t y f o r t h e i n t e r i o r p o r t i o n o f t h e p r o j e c t i l e

Was e s t i m a t e d a t a p p r o x i m a t e l y 0 . 1 pounds p e r c u b i c i n c h

( 2 . 8 g / c c ) . T h u s , h i g h e r d e n s i t y m a t e r i a l s i n

t h e

c o n t r o l

? n

a c t u a t o r s ( d e s c r i b e d b e l o W ) c a n

b e

o f f s e t b y u t i l i Z a t i o n o f

l o W e r

d e n s i t y

b a t t e r i e s

a n d


a n d l o W d e n s i t y

p o t

t i n g m a t e r i a l s .

U s i n g

s t a n d a r d d e n s i t i e s

f o r

t h e t u n g s t e n

a n d

s t a i n l e s s

s t e e l p o r t i o n s

o f

t h e

p r o j e c t i l e ,

t h e

e x e m p l a r y c o n

? g u r a t i o n

p r o d u c e s

a c e n t e r o f mass t a p p r o x i m a t e l y 3 9% o f

b o d y

l e n g t h , a s

m e a s u r e d f r o m

t h e

t i p

o f t h e


W e l l

f o r W a r d

t o p r o v i d e a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y .

T a b l e

1

p r o v i d e s

a

summary o f

t h e

a n a l y s i s .

TABLE

Mass c o n t r i b u t i o n s

of

e l e c t e d s e c t i o n s

Nose

M a s s :

4 . 1 2 E ( 4 ) C e n t e r :

7 . 7 9 E ( 2 )

Moment:

3 . 2 0 E ( 5 )

O g i v e

M a s s : 5 . 6 5 E ( 2 )

C e n t e r : 6 . 2 4 E ( 1 ) M o m e n t :

3 . 5 2 E ( 2 )


16/20

U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1

9

TABLE - c o n t i n u e d

Mass

c o n t r i b u t i o n s o f s e l e c t e d s e c t i o n s

S h e l l

M a s s : 1 . 9 9 E ( 2 ) C e n t e r : 1 . 6 3 E ( 0 ) Moment: 3 . 2 4 E ( 2 )

c y l i n d e r

P o t t e d M a s s :

8 . 8 4 E ( 3 )

C e n t e r : 1 . 6 3 E ( 0 ) Moment:

1 . 4 4 E ( 2 )

c y l i n d e r

S h e l l c o n i c M a s s :

2 . 2 6 E ( 2 )

C e n t e r : 3 . 0 3 E ( 0 ) Moment:

6 . 8 3 E ( 2 )

P o t t e d c o n i c

M a s s :

8 . 2 1 E ( 3 ) C e n t e r : 2 . 9 7 E ( 0 ) Moment: 2 . 4 3 E ( 2 )

End

c a p

M a s s :

2 . 0 5 E ( 3 )

C e n t e r :

3 . 9 5 E ( 0 )

Moment:

8 . 1 0 E ( 3 )

T o t a l m a s s : 1.19E(1)Lbs

C e n t e r o f r n a s s : 1 . 5 4 1 5 ( 0 )

F r a c t i o n o f l e n g t h : 0 . 3 9

The f o l l o w i n g

a n a l y s i s

was c o n d u c t e d

t o

i l l u s t r a t e

t h a t

a e r o d y n a m i c c o n t r o l

c a p a b i l i t y

o f

a

p r o j e c t i l e a c c o r d i n g t o

t h e

i n v e n t i o n , i s

s u i t a b l e f o r u s e a g a i n s t e i t h e r

s t a t i o n a r y o r

m o v i n g

t a r g e t s .

F o r t h e e x e m p l a r y

g u i d e d

p r o j e c t i l e , t h e

e x t e r n a l

m o l d - l i n e ,

a e r o d y n a m i c l i f t i n g s u r f a c e s , a n d c o n t r o l

s u r f a c e s

were d e s i g n e d t o a c h i e v e

a d e q u a t e

t r a j e c t o r y

c o r r e c

t i o n t o a d d r e s s s t a t i o n a r y o r moving a r g e t s . I n

a d d i t i o n ,

t h e

d e s i g n p r o v i d e s

a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y w i t h o u t s p i n n i n g t h e

p r o j e c t i l e

upon

x i t i n g t h e

b a r r e l .

F o r

d e l i v e r y

o f

t h e

p r o j

e c

t i l e

u s i n g a . 5 0 c a l i b e r g u n , t h e

e x t e r n a l

m o l d - l i n e o f t h e

p r o j e c t i l e was c o n s t r a i n e d b y t h e

f o l l o w i n g

c r i t e r i a :

m i n i

mum ose

a d i u s

of

. 5

mm

o r o p t i c a l

s e n s o r l e n s , maximum

d i a m e t e r of 1 2 . 7 mm,

and

a

maximum

e n g t h of 102

mm.

C o n s i d e r i n g

t h e s e

c o n s t r a i n t s ,

t h e

a e r o d y n a m i c

d e s i g n o f h e

p r o j e c t i l e

was d e v e l o p e d

t o

a c h i e v e t h e f o l l o w i n g p e r f o r

mance e q u i r e m e n t s :

minimum

e r o d y n a m i c s t a t i c m a r g i n o f

10% f

b o d y l e n g t h ( L ) ,

minimum

a t e r a l

a c c e l e r a t i o n o f 1 0 g

u p o n

a r r e l e x i t ( f o r t r a j e c t o r y

c o r r e c t i o n ) . A t a t i c m a r g i n

o f

10% L w i l l i n s u r e a e r o d y n a m i c s t a b i l i t y o f t h e

p r o j e c t i l e

w i t h o u t s p i n n i n g , and a 1 0

g

l a t e r a l a c c e l e r a t i o n

upon

a r r e l

e x i t

w i l l p r o v i d e t r a j e c t o r y c o r r e c t i o n f o r

a d d r e s s i n g

? x e d

a n d

m o v i n g

t a r g e t s .

U s i n g

t h e M i s s i l e Datcom

c o d e

t o c o m p a r e t h e C P a n d Cg

o f

a


t h e

d e s i g n

o f

t h e


l i f t i n g

a n d

c o n t r o l

s u r f a c e s w a s

a n a l y z e d c o n s i d e r i n g

t h e p e r f o r m a n c e

r e q u i r e m e n t s

f o r

t h e p r o j e c t i l e . T h i s s e m i - e m p i r i c a l

c o d e

i s

u s e d

f o r p r e l i m i n a r y

d e s i g n

o f

r o c k e t a n d

m i s s i l e

s y s t e m s i n

t h e s p e e d r e g i m e s a n d o n t h e

R e y n o l d s

number

s c a l e s

c h a r

a c t e r i s t i c o f t h e p r o j e c t i l e .

The

ma x im um d i a m e t e r

o f

t h e

p r o j e c t i l e

w a s

reduced

t o

1 0 . 2

mm

1 2 . 7

mm o r

a

s t a n d a r d

. 5 0 c a l i b e r

p r o j e c t i l e ) t o

i n c r e a s e t h e s p a n

o f

t h e

c o n t r o l

? n s

a n d s t r a k e s

n e c e s s a r y

f o r a e r o d y n a m i c

s t a b i l i t y .

The c o n t r o l

?ns o s i t i o n e d

a t

t h e

b a s e o f

h e v e h i c l e have

s p a n and c h o r d

of . 5 mm nd .1 mm , e s p e c t i v e l y . The m a x i m u m e ? e c t i o n

o f h e c o n t r o l s u r f a c e s

i s

s e t t o 3

d e g r e e s

f o r t h i s e x a m p l e .

The

r e s u l t s

o f

h e Datcom r e d i c t i o n s a r e p r e s e n t e d g r a p h i c a l l y i n

F I G . 7 . The most f o r w a r d p o s i t i o n o f h e


c e n t e r o f

p r e s s u r e

o c c u r s

a t

Mach

and

s

p o s i t i o n e d

a t 47%

from

h e

p h y s i c a l n o s e - t i p . F o r a c e n t e r o f

g r a v i t y

p o s i t i o n o f

37% L ,

t h e

s t a t i c

m a r g i n o f


r a n g e s

f r o m

10% L

o

20%

L o v e r t h e ? i g h t

Mach

number r e g i m e . A n a l y s i s s h o w s t h e

t r i m a n g l e

o f

a t t a c k ( a m - m )

o f

t h e

p r o j e c t i l e

f o r a 3 d e g r e e ?n

d e ? e c t i o n v a r i e s s l i g h t l y w i t h s p e e d , b u t r e m a i n s

a b o u t

1 . 5

d e g r e e s .

T h i s

t r i m

a n g l e i s

s u ? i c i e n t

t o

a c h i e v e a

1 0 g

l a t e r a l

a c c e l e r a t i o n upon e x i t i n g t h e b a r r e l .

U s i n g

t h e


model o b t a i n e d f r o m D a t c o m , a

t h r e e

d e g r e e - o f - f r e e d o m t r a j e c t o r y s i m u l a t i o n w a s

d e v e l o p e d

u s i n g

t h e

T A O S c o d e . T h i s s i m u l a t i o n was

s e d

t o i n v e s t i g a t e

t h e ? i g h t p e r f o r m a n c e

o f

t h e

g u i d e d


F o r

t h i s

s i m u

l a t i o n ,

t h e b a r r e l

e x i t

v e l o c i t y and mass

o f


a r e

1 0 0 0 m / s a n d 4 5 g , r e s p e c t i v e l y .

The

e s u l t s

o f t h i s

a n a l y s i s

a r e g r a p h i c a l l y

i l l u s t r a t e d

i n

F I G .

8 .

The

b a l l i s t i c

p e r f o r

mance

o f h e

g u i d e d p r o j e c t i l e ( l o w e r c u r v e ) i s

c o m p a r a b l e

t o

5

2 0

25

3 0

35

4 0

4 5

5 0

55

60

6 5

1 0

a

s t a n d a r d . 5 0 - c a l i b e r u l l e t

( u p p e r

c u r v e ) .

The

o w e r

v e l o c i t y

o f h e g u i d e d

p r o j e c t i l e r e s u l t s

from

i n c r e a s e d

n o s e

b l u n t n e s s

a s

r e q u i r e d

by

h e l e n s

o f

an p t i c a l s e n s or .

At r a n g e

of 2000

m , t h e v e l o c i t y o f t h e g u i d e d p r o j e c t i l e i s

2 6 0

m / s

c o m p a r e d

t o

300

m/s

f o r a s t a n d a r d b u l l e t . F u l l c o n t r o l ? n d e ? e c t i o n ( 3

degrees)

can cause

a

t r a j e c t o r y d e v i a t i o n o f 2 6 0

m

t

a range

of

000 m.

For maximum

o n t r o l

? n

e ? e c t i o n o f

3 d e g r e e s ,

t h e m a x i m u m normal l o a d i n g o n t h e ? n s 0 . 2 1 l b a t b a r r e l

e x i t . T h i s v a l u e c a n

b e

u s e d ( a s

d e s c r i b e d

b e l o w ) t o a p p r o p r i

a t e l y s i z e t h e

c o n t r o l a c t u a t o r s and

a t t e r i e s .

F I G .

9 i s a

c r o s s - s e c t i o n a l

s c h e m a t i c diagram

of

h e

a c t u a

t o r s e c t i o n

o f

t h e e x e m p l a r y

embodiment o f

t h e

i n v e n t i o n .

The a c t u a t o r s e c t i o n 1 0 8 o f p r o j c t i l e

1 0 0 c o m p r i s e s

c o n t r o l

?ns 112a and 1 2 1 9 mounted o

a

r o t a t i n g s h a f t

1 1 4 .

S h a f t

114

h a s a n a c t u a t i n g

l e v e r

1 1 6 a a n d o p p o s e d a c t u a t i n g l e v e r

1 1 6 1 9

which

o r

a f o r ce a p p l i e d t o

l e v e r

1 1 6 1 1 by

a n e l e c t r o m a g n e t i c

a c t u a t o r , c a u s e s t h e s h a f t t o

r o t a t e

t h e r e b y

d e ? e c t i n g

t h e

a t t a c h e d c o n t r o l ? n s , i n t h i s e x a m p l e b y u p t o 3 d e g r e e s .

Applying

f o r c e

t o

t h e

opposed e v e r 1 1 6 1 )

c a u s e s

r o t a t i o n of

t h e c o n t r ol

? n s

i n t h e o p p o s i t e d i r e c t i o n . A i m i l a r a n a l y s i s

h o l d s

t r u e f o r

t h e

p a i r

o f

c o n t r o l

? n s

mounted

r t h o g on a l l y . I n

t h i s p e r s p e c t i v e

a s

viewed from t h e a f t

e n d o f


l o o k i n g f o r w a r d ,

a n e l e c t r o m a g n e t i c

a c t u a t o r

f o r

e a c h

c o n t r o l

l e v e r

a n d o p p o s e d

c o n t r o l l e v e r

i s

p o s i t i o n e d b e l o w t h e

p l a n e

o f

t h e

? g u r e .

FIGS.

1 0

and

1 1

a r e s c h e m a t i c

b l o c k d i a g r a m s o f

t h e

c o n t r o l

? n ,

s h a f t and a c t u a t o r a s s e m b l y f o r t h e c o n t r o l ?n

1 1 2 1 1 o f F I G .

9 .

C o n t r o l ?n 1 1 2 1 1 i s mounted t o a x l e 114

h a v i n g c o n t r o l l e v e r 1 1 6 a a n d o p p o s e d c o n t r o l l e v e r 1 1 6 b , t o

which e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s 120a and 1 2 0 1 ) c a n be ( r e

s p e c t i v e l y )

m a g n e t i c a l l y c o u p l e d . E l e c t r o m a g n e t i c

a c t u a t o r s

120a and 1 2 0 1 9 a r e i l l u s t r a t e d

a s t h i n

r o d s

o f

f e r r o m a g n e t i c

m a t e r i a l

1 2 2 wrapped i t h c o i l s o f c o n d u c t i v e w i r e 1 2 4 . F I G .

1 1

i l l u s t r a t e s

t h a t

by

a p p l y i n g

a

c o n t r o l command o n

t o

e l e c t r o m a g n e t i c

a c t u a t o r

1 2 0 a , and command

o f f

t o a c t u a

t o r 1 2 0 b ,

c o n t r o l

l e v e r 1 1 6 1 1 i s m a g n e t i c a l l y p u l l e d t o w a r d s

e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r 1 2 0 a , c a u s i n g c o n t r o l ?n

1 1 2 1 1

t o

d e ? e c t

u p w a r d s b y

t h e e x e m p l a r y 3 d e g r e e s . L i k e w i s e ,

r e v e r s i n g

t h e c o n t r ol commands would c a u s e t h e c o n t r ol ?n

1 1 2 1 9

t o

d e ? e c t

downwards.

T h e f o l l o w i n g a n a l y s i s i l l u s t r a t e s t h e

p e r f o r m a n c e

o f

l e c

t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s

f o r

movement o f t h e c o n t r ol ?ns i n

embodiments

o f

t h e

p r e s e n t i n v e n t i o n . A f u n d a m e n t a l

r e q u i r e m e n t f o r

t h e


i s

t o c h a n g e

t h e ? i g h t

p a t h .

A s w i t h

most l a r g e s c a l e

s y s t e m s ,

t a i l ? n s

a r e

an e f f e c

t i v e means t o g e n e r a t e ? i g h t p a t h c o r r e c t i o n s . C h a n g i n g t h e

c o n t r o l

?n n g l e i m p a r t s a moment on h e e n t i r e b o d y , t i l t i n g

i t w i t h r e s p e c t t o t h e v e l o c i t y v e c t o r .

The

r e s u l t i n g

a e r o d y

namic p r e s s u r e i m b a l a n c e g e n e r a t e s

l a t e r a l

a c c e l e r a t i o n

w h i c h c h a n g e s t h e v e l o c i t y

v e c t o r .

T h e

p e r f o r m a n c e

t a r g e t s

f o r

t h e

e x e m p l a r y g u i d e d p r o j

e c

t i l e

assume an

aerodynamic

s i d e

load

o n

a

c o n t r o l ? n

o f

a p p r o x i m a t e l y 0 . 0 2

p o u n d s

f o r c e

maximum

a t 3 d e g r e e s

d e ? e c t i o n . The e x e m p l a r y ? n s a r e 0 . 1 i n c h e s w i d e , 0 . 2 i n c h e s

l o n g

a n d

p i v o t n e a r t h e i r l e a d i n g e d g e . The ? n s o n o p p o s e d

s i d e s o f t h e

p r o j e c t i l e

body

r e d i r e c t l y c o u p l e d a n d a r e i n d e

p e n d e n t o f t h e o r t h o g o n a l p a i r .

E a c h

p a i r o f c o n t r o l ? n s h a s 3

s t a t e s : d r i v e n p o s i t i v e , d r i v e n n e g a t i v e (eg i n a n

o p p o s e d

d i r e c t i o n ) , a n d n e u t r a l

( b o t h

a c t u a t o r s o f f ) . T h e s e

v a l u e s

can

h e n be

used o de?ne

t h e s p e c i ? c a t i o n s f o r t h e ? n c t u a

t o r , e n u m e r a t e d i n T a b l e 2 .


17/20

U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1

1 1

TABLE

P i n

a c t u a t i o n

r e q u i r e m e n t s

Normal f o r c e

( l b s )

0 . 2 0

Average moment arm

( i n c h e s ) 0 . 1 0

F i n s h a f t

moment

( i n c h - l b s ) 0 . 0 2

F i n

s h a f t

moment

( m i l l i - N m ) 2 . 2 6

2

? n s

( m i l l i - N m ) 4 . 5 2

A t t r a c t i o n

f o r c e ( N )

( l e v e r = 1 . 2

mm) 3 . 7 7

S t r o k e ( m m )

( 3

d e g r e e s @ . 2 mm) 0 . 0 6 3

E l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t i o n

a s

u t i l i z e d

i n

t h e a c t u a t o r

s y s

tems

of embodiments o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n a r e v e r s a t i l e

a n d e a s i l y c o n t r o l l e d . T h e y

a r e

s i m p l e m e c h a n i c a l

d e v i c e s ,

p h y s i c a l l y r o b u s t ,

and c a n b e made

t o ? t

w i t h i n

t h e s m a l l

c o n ? n e s of

a

g u i d e d

p r o j e c t i l e . The

e x e m p l a r y embodiment

o f

h e

g u i d e d

p r o j e c t i l e h a s t w o e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s p e r

p a i r

o f

o n t r o l ? n s , m o u n t e d

l e n g t h w i s e i n

t h e p r o j e c t i l e b o d y

( e g . w i t h i n a c t u a t o r m o d u l e 1 0 8 ) i l l u s t r a t e d

n o t i o n a l l y

i n

FIGS. 1 and 9 - 1 1 . One

a c t u a t e s p o si t i v e l y

w h i l e t h e

o t h e r

a c t u a t e s i n

t h e

opposed

d i r e c t i o n . A

e u t r a l

s t a t e o c c u r s w h en

b o t h

a c t u a t o r

c o i l s

a r e

u n - p o w e r e d

( e g .

commanded

o f f ) .

As

shown

b e l o w ,

t h i s

c o n ? g u r a t i o n d o e s n o t r e q u i r e a n y

p e r m a n e n t m a g n e t s , a l t h o u g h p e r m a n e n t

m a g n e t s

c o u l d b e


t o

e x t e n d

t h e a c t u a t o r p e r f o r m a n c e i f d e s i r e d .

The c t u a t o r

system d o e s

n o t u t i l i z e

f e e d b a c k o r

p r o p o r t i o n a l

c o n t r o l o f a c o n t r o l ?n o s i t i o n ,

b u t

c o u l d b e used i n a

p u l s e

width modulation

m o d e t o

a c h i e v e a c r u d e form of propor

t i o n a l c o n t r o l .

T a b l e

3

l i s t s

t h e

p a r a m e t e r s u s e d t o p r e d i c t

t h e

o p e r a t i n g

p e r f o r m a n c e o f t h e e x e m p l a r y

e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r s .

F I G . 1 2 g r a p h i c a l l y p r e s e n t s t h e p r e d i c t e d p e r f o r m a n c e

f o r

t h r e e

common

e r r o m a g n e t i c c o r e m a t e r i a l s . While h e s e v a l

u e s a p p r o a c h t h e m a g n e t i c s a t u r a t i o n l i m i t s

f o r

s o f t s t e e l , t h e

r e s u l t s i l l u s t r a t e t h e r e q u i r e d

f u n c t i o n a l i t y

f o r t h e e l e c t r o m a g

n e t i c

a c t u a t o r s i s a c h i e v a b l e u s i n g

common

e n g i n e e r i n g

m a t e r i a l s f o r

t h e

c o r e s of

h e a c t u a t o r s .

A n a l y s i s

s h o w s

t h a t u s i n g 3 8

g a u g e

m a g n e t w i r e p r o v i d e s

a

goo d match

t o t h e e l e c t r i c a l

power

a v a i l a b l e .

The

c u r r e n t

l o a d s i g n i ? c a n t l y

e x c e e d s

r e c o m m e n d a t i o n s f o r

t h a t

g a u g e .

There w i l l

n o t

be a n y

c o o l i n g f o r

t h i s d e v i c e , s o i t must be

c a p a b l e

o f s u r v i v i n g 5 s e c o n d s ( e g . t y p i c a l ? i g h t t i m e o f a

p r o j e c t i l e ) o f

o p e r a t i o n r e l y i n g

on

t h e r m a l

mass a l o n e . Even

w i t h

100% d u t y

c y c l e ,

t h e

t h e r m a l

r i s e i s n o t

a

c o n c e r n d u r i n g

t h e

e x p e c t e d

? i g h t

t i m e

a s shown n T a b l e

4 .

A l t h o u g h d i r e c t

a c t u a t i o n v i a

e l e c t r o m a g n e t s may n o t

be a s e l e c t r i c a l l y

e f f i

c i e n t

a s o t h e r m e t h o d s , i t d o e s p r o v i d e a s i m p l e , p h y s i c a l l y

r o b u s t , a n d i n e x p e n s i v e

s o l u t i o n .

The

o m i n a l b u d g e t f o r t h e s y s t e m power f

h e

e x e m p l a r y

g u i d e d

p r o j e c t i l e i s 3

W.

T w o w a t t s

a r e

b u d g e t e d f o r t h e

c o n t r o l ?n a c t u a t o r s ( a s s u m i n g 3 5 a c t u a t i o n s / s e c / ? n ,

300%

f r i c t i o n l o s s e s , 10% c t u a t o r e ? i c i e n c y , and

s a f e t y

f a c t o r o f

4 )

a n d 1

W o r

t h e

e l e c t r o n i c g u i d a n c e

a n d c o n t r o l

f e a t u r e s .

A c t u a l s y s t e m

power consumption w i l l be

d e p e n d e n t

on a

g i v e n

a p p l i c a t i o n s

c o n ? g u r a t i o n .

B a s i c p r i n c i p l e s

i n d i c a t e

t h a t t h e r e

i s a v a i l a b l e p a y l o a d c a p a c i t y f o r c a r r y i n g

more

h a n

e n o u g h

e n e r g y t o

p e r f o r m t h e t r a j e c t o r y c o n t r o l .

Assuming

a

minimum s u p p l y

v o l t a g e o f

3 V o s u p p o r t c o n t r o l

l o g i c ,

t h e

b a t t e r i e s s h o u l d p r o v i d e 1

A

f c u r r e n t

t o

p r o d u c e

3

W.

A o r

5 s e c o n d s i s ~ 1 . 4

mA o u r s , l e s s

t h a n 5

mW o u r s . T h a t

works o u t t o a b o u t 1 5 mg of a c t i v e m a t e r i a l f o r a g o od

Li / MnO 2 c e l l and

around 120

mg

o r an

o l d c a r b o n - z i n c

c e l l .

The v a s t m a j o r i t y o f c o m m e r c i a l b u t t o n

c e l l s

a r e o p t i m i z e d

f o r maximum

e n e r g y

s t o r a g e a n d d e l i v e r y

o v e r v e r y l o n g

p e r i o d s , o f t e n y e a r s . T h e

p r i m a r y

c e l l s

o p t i m i z e d f o r h i g h e r

power

r a t i n g s t e n d t o u s e l a r g e r p a c k a g e s . However, a

c u s

1 0

25

3 0

35

4 0

4 5

5 0

55

60

6 5

1 2

t o m - d e s i g n e d t w o - c e l l L i t h i u m s y s t e m c a n p r o v i d e e x t r a

v o l t a g e t o overcome i n t e r n a l r e s i s t a n c e i n

t h e

b a t t e r i e s .

TABLE

P a r a m e t e r s

f o r c a l c u l a t i n g

e l e c t r o m a g n e t p e r f o r m a n c e .

Mass

o f o b j e c t

t o

l i f t ,

M

k g )

0 . 1

F o r c e r e q u i r e d t o l i f t o b j e c t ,

F

( N ) 0 . 9 8

T o t a l

r e q u i r e d M a g n e t o m o t i v e f o r c e ,

M M F t o t a l ( A t )

1 8 9 . 6

A v a i l a b l e

c u r r e n t , l a v a i l ( a m p s ) 0 . 5

Minimum number

o f

r e q u i r e d t u r n s 3 7 9 . 2

Air gap

A r e a o f

r s t p o l e ,

Api l ( m m A 2 )

1

L e n g t h

o f

r s t a i r g a p ,

L a g 1

(mm) 0 . 1

A r e a o f s e c o n d p o l e , Api 2 ( m m A 2 ) 1

L e n g t h

o f s e c o n d a i r g a p , L a g 2 (mm)

0 . 1

R e q u i r e d m a g n e t i c f l u x d e n s i t y t o

l i f t

o b j e c t , B r e q ( T e s l a ) 1 . 1 1 0

M a g n e t i c ? e l d

i n t e n s i t y F m @ r e q , MMFag A t ) 1 7 6 . 6

R e q u i r e d m a g n e t i c

c i r c u i t

? u x , p h i ( W b ) 1 . 1 1 E - 0 6

L i f t i n g m a g n e t s h e e t

s t e e l

S e c t i o n

1

M a g n e t i c c i r c u i t p a t h

l e n g t h ,

Lil ( m m )

1 0

M a g n e t i c

c i r c u i t p a t h a r e a , A i l ( m m A 2 )

1

F l u x

d e n s i t y ,

B i l

T e s l a )

1 . 1 1 0

From

B-H

c u r v e ,

m a g n e t i c

? e l d i n t e n s i t y ,

H i 1

( A t / m ) 5 0 0

M a g n e t o m o t i v e f o r c e (MMF),

MMFil

A t ) 5

S e c t i o n 2

M a g n e t i c c i r c u i t

p a t h l e n g t h ,

Li2

( m m ) 3


p a t h a r e a , A i 2 ( m m A 2 ) 1

F l u x

d e n s i t y , B i 2

T e s l a ) 1 . 1 1 0

From

B-H c u r v e , m a g n e t i c ?e l d i n t e n s i t y , Hi2 A t / m ) 5 0 0

M a g n e t o m o t i v e f o r c e

(MMF), MMFi2 A t )

1 . 5

S e c t i o n

3

M a g n e t i c

c i r c u i t p a t h l e n g t h ,

Li3 1 0

M a g n e t i c c i r c u i t p a t h a r e a , A i 3 ( m m A 2 )

1

F l u x

d e n s i t y , B i 3 T e s l a )

1 . 1 1 0

From

B-H

c u r v e ,

m a g n e t i c ?e l d

i n t e n s i t y , H i 3

( A t / m ) 5 0 0

M a g n e t o m o t i v e f o r c e (MMF), MMFi3

A t )

5

O b j e c t b e i n g l i f t e d s h e e t

s t e e l

M a g n e t i c c i r c u i t p a t h

l e n g t h ,

L o b l ( m m )

3


p a t h

a r e a , A o b l (mm 2 ) 1

F l u x d e n s i t y , B o b l

( T e s l a )

1 . 1 1 0

From

B-H

c u r v e , m a g n e t i c ? e l d i n t e n s i t y @ r e q , H o b l 5 0 0

( A t / m )

M a g n e t o m o t i v e

f o r c e (MMF),

MMFobl

A t ) 2

P e r m e a t i v i t y o f f r e e

s p a c e , mu0

( H / m ) 1 . 2 6 E - 0 6

TABLE

A c t u a t o r t h e r m a l h e a t i n g

S p e c i ? c h e a t

mm3

cm3 g

J/gK

J / K 1 G 1

i r o n

20 0 . 0 2 0 0 . 1 5 7 0 . 4 5 0 0 . 0 7

1 4 . 1 2

copper

1 4

0.014

0 . 1 2 5 0 . 3 8 5

0 . 0 5 2 0 . 7 1

combined 0 . 1 2

8 . 3 9

Power 1 . 5 3 J / s

T i m e 5 s

E n e r g y

7 . 6 5

1

T e m p d e g r e e s

r i s e

6 4 . 2 2

K

Shock a c t i v a t e d

b a t t e r i e s could a s w e l l

be

u t i l i z e d

t o

p r o

v i d e p o w e r f o r

e m b o d i m e n t s o f g u i d e d

p r o j e c t i l e s a c c o r d i n g

t o

t h e

p r e s e n t

i n v e n t i o n .

Shock

a c t i v a t e d b a t t e r i e s a r e

d e s c r i b e d

i n

d e t a i l e l s e w h e r e ,

f o r e x a m p l e

i n

US.

P a t .

N o .

4 , 7 8 3 , 3 8 2

t o B e n e d i c k e t a l . ,

and

i n G u i d o t t i e t a l . ,

A

Min

i a t u r e

S h o c k - A c t i v a t e d

T h e r m a l B a t t e r y

f o r M u n i t i o n s A p p l i

c a t i o n s , S A N D 9 8 - 0 9 0 4 3 8 , S a n d i a

N a t i o n a l L a b o r a t o r i e s ,


18/20

U S

7 , 7 8 1 , 7 0 9 B1

1 3

p r i n t e d

1 9 9 8 ,

a v a i l a b l e

t h r o u g h OSTI a n d p r e s e n t e d

a t t h e

3 8 t h

A n n u a l P o w e r S o u r c e s C o n f e r e n c e ,

C h e r r y

H i l l , N J ,

J u n .

8 - 1 1 , 1 9 9 8 , t h e e n t i r e t y o f e a c h o f

W h i c h

i s i n c o r p o r a t e d

h e r e i n

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